古多倍体

古多倍体化は、少なくとも数百万年前（MYA）に起こったゲノム重複の結果です。このようなイベントは、単一の種のゲノムを倍増させる（同質多倍体化）か、2つの種のゲノムを組み合わせる（異質多倍体化）かのいずれかです。^{[ 1 ]}機能的冗長性のため、重複したゲノムから遺伝子は急速にサイレンシングされるか失われます。ほとんどの古多倍体は、進化の過程で二倍体化と呼ばれるプロセスによって多倍体状態を失い、現在では二倍体と考えられています。たとえば、パン酵母^{[ 2 ]}、シロイヌナズナ^{[ 3 ]}、そしておそらくヒト^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}などです。

古多倍体化は植物の系統で広く研究されている。ほとんどすべての顕花植物は、進化の歴史のある時点で少なくとも1回のゲノム重複を経験していることがわかっている。^{[ 8 ]}古代のゲノム重複は、硬骨魚類の起源付近の脊椎動物の初期祖先（ヒトの系統を含む）と、硬骨魚類の幹系統にも見られる。^{[ 9 ]}コンパクトなゲノムを持つパン酵母（Saccharomyces cerevisiae）は、進化の歴史の中で倍数体化を経験したという証拠がある。^{[ 10 ]}

関連用語である中倍数体は、過去 1700 万年以内など、より最近の歴史において全ゲノムの増殖イベント (全ゲノム重複、全ゲノム三倍化など) を経験した種に使用されます。^{[ 11 ]}中倍数性は、表面レベルの比較遺伝学や比較染色体ペインティングなどの細胞遺伝学的方法を使用して比較的容易に検出できることで、古倍数性とは区別されます。中倍数性と古倍数性の区別はより最近のものであり、すべての著者がこの用語を認識しているわけではありません。^{[ 12 ]}

古代のゲノム重複は、特に植物において、真核生物の系統全体に広く見られます。 ^{[ 8 ]}研究によると、トウモロコシ、イネ、コムギ、サトウキビなどの重要な作物種を含むイネ科植物の共通祖先は、約7000 万年前に全ゲノム重複（WGD）を共有していました。^{[ 13 ]}より古い単子葉植物の系統では、1回または複数回の追加の全ゲノム重複が発生しましたが、これらは祖先の真正双子葉植物とは共有されていませんでした。^{[ 14 ]さらに、トウモロコシ[ 15 ]} 、サトウキビ^{[ 16 ]}、コムギ^{[ 17 ]}につながる系統では、より最近の独立した全ゲノム重複が発生しましたが、最も一般的なイネの栽培品種^{[ 18]、ソルガム[15 ]}、^{またはアワ[ 19 ]に}は発生していません。

1億6000 万年前の倍数体化イベントが、現代のすべての被子植物につながる祖先系統を生み出したと考えられている。^{[ 20 ]}この古倍数体化イベントは、古代の被子植物であるアンボレラ・トリコポダのゲノムをシーケンスすることによって研究された。^{[ 21 ]}

中核となる真正双子葉植物は、共通の全ゲノム三倍体化（古六倍体化）も共有しており、これは単子葉植物と真正双子葉植物の分岐後、バラ類とキク類の分岐前に起こったと推定されている。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}多くの真正双子葉植物種は、さらに全ゲノムの重複または三倍体化を経験している。たとえば、全ゲノムが解読された最初の植物であるモデル植物シロイヌナズナは、中核となる真正双子葉植物が共有する重複以来、少なくとも2回の全ゲノム重複を経験している。^{[ 3 ]}最も最近のイベントは、シロイヌナズナとアブラナの系統が分岐する前、約2000 万年前から4500 万年前に起こった。その他の例としては、リンゴ、ダイズ、トマト、ワタなどの真正双子葉植物のゲノムが解読されている。

植物と比較すると、動物界では古多倍体化ははるかにまれである。^{[ 8 ]}主に両生類と硬骨魚類で確認されている。いくつかの研究では、1つ以上の共通ゲノム重複がすべての脊椎動物（ヒトを含む）に共有されていると示唆されているが、重複が存在するとしても非常に昔（植物の2億年前未満と比較して約4億～5億年前）に起こったため、証拠は他のケースほど強力ではなく、この問題はまだ議論中である。脊椎動物が共通の全ゲノム重複を共有しているという考えは、2R仮説として知られている。多くの研究者は、動物の系統、特に哺乳類が植物の系統よりも全ゲノム重複がはるかに少ない理由に興味を持っている。

パン酵母（ Saccharomyces cerevisiae ）は、 Kluyveromyces lactisおよびK. marxianusから分岐した後、ゲノムが小さくコンパクト（約13Mbp）であるにもかかわらず、古多倍体であることが十分に裏付けられています。ゲノムの合理化により、酵母は進化の過程で重複したゲノムの90%を失い、現在では二倍体生物として認識されています。^{[ 25 ]}

重複遺伝子（パラログ）は、DNAまたはタンパク質レベルでの配列相同性によって同定できます。古多倍体化は、分子時計を用いて一度に大量の遺伝子重複が起こったものとして同定できます。全ゲノム重複と（より一般的な）単一遺伝子重複イベントの集合を区別するために、以下の規則がよく適用されます。

• 重複遺伝子は大きな重複ブロックに位置し、シンテニーによって識別できます。単一遺伝子の重複はランダムなプロセスであり、重複遺伝子がゲノム全体に散在する傾向があります。多くの異なる種と提案されている重複部分の間で保存されているシンテニー配置は、それらの相同性の強力な証拠です。^{[ 25 ]}
• 重複したブロックは同時に作成されたため、重複しません。ゲノム内のセグメント重複は最初のルールを満たすことができますが、複数の独立したセグメント重複は互いに重複する可能性があります。^{[ 26 ]}

さまざまな進化系統の歴史の中でずっと昔に起こった重複イベントは、その後の二倍体化（多倍体が時間の経過とともに細胞遺伝学的に二倍体として振る舞い始める）のために検出が困難になることがあります。これは、突然変異と遺伝子翻訳によって各染色体の一方のコピーが徐々にその対となるものと異なるようになるためです。このため、古代の古多倍体を特定する信頼性は低くなります。^{[ 27 ]}

古多倍体化は、遺伝物質の倍加、遺伝子発現の変化、細胞サイズの増大など、大規模な細胞変化を引き起こします。二倍体化の過程で生じる遺伝子の喪失は完全にランダムではなく、強い選択圧を受けています。大きな遺伝子ファミリーに属する遺伝子は重複しますが、個々の遺伝子は重複しません。このように、古多倍体化は、生物の自然環境における適応度に、短期的および長期的な進化的影響を及ぼす可能性があります。

倍数性には、異質倍数性と同質倍数性の 2 つの大きな区分があります。異質倍数体は、近縁の 2 つの種の交雑の結果として生じますが、同質倍数体は、同種の 2 つの親の交雑の結果として種のゲノムが重複すること、または親の生殖組織における体細胞倍加によって生じます。 ^{[ 36 ]}異質倍数体種は自然界でより広く分布していると考えられています。^{[ 36 ]}これは、異質倍数体が異なるゲノムを受け継ぎ、ヘテロ接合性が増加し、その結果適応度が高くなるためと考えられます。これらの異なるゲノムは、大規模なゲノム再編成の可能性を高めます。^{[ 36 ] [ 37 ]}これは有害にも有利にもなり得ます。しかし、自家倍数性は一般的に中立的なプロセスと考えられているが、^{[ 37 ]}自家倍数性は種分化を誘発する有用なメカニズムとして機能し、異質倍数体種が経験する時間とコストのかかるゲノム再編成期間を経ることなく、生物が新しい生息地に迅速に定着する能力を助ける可能性があるという仮説が立てられている。植物における自家倍数性の一般的な原因の 1 つは、自家受粉、つまり「自家受粉」が可能な「完全花」に由来する。これは、異数性につながる減数分裂のエラーと相まって、自家倍数性が非常に起こりやすい環境を作り出す可能性がある。この事実は、実験室環境でコルヒチンを使用して減数分裂中の染色体分離を阻害し、合成自家倍数体植物を作成することで利用できる。^{[ 38 ]}

倍数体化イベントの後、重複した遺伝子にはいくつかの運命が考えられます。両方のコピーが機能遺伝子として保持される場合、一方または両方のコピーで遺伝子機能の変化が起こる場合、遺伝子サイレンシングによって一方または両方のコピーがマスクされる場合、または完全な遺伝子喪失が起こる場合があります。^{[ 36 ] [ 39 ]}倍数体化イベントはヘテロ接合性のレベルを高め、時間の経過とともに、ゲノム内の機能遺伝子の総数の増加につながる可能性があります。ゲノム重複イベントの後、時間が経過するにつれて、異質倍数体種と同質倍数体種の両方で重複遺伝子機能の変化の結果として、多くの遺伝子が機能を変化させるか、異質倍数体でゲノム重複によって誘発されるゲノム再編成によって遺伝子発現が変化することになります。遺伝子の両方のコピーが保持され、コピー数が倍になると、その遺伝子の発現が比例的に増加し、結果としてmRNA転写産物が2倍になる可能性があります。また、重複した遺伝子の転写が下方制御され、その遺伝子の転写が2倍未満に増加する可能性や、重複イベントによって転写が2倍以上増加する可能性もある。^{[ 40 ]}ダイズ（Glycine max ）の近縁種であるGlycine dolichocarpaでは、約50万年前にゲノム重複が起こった後、転写が1.4倍に増加したことが観察されており、重複イベント後に遺伝子コピー数に対する転写の比例的な減少があったことを示している。^{[ 40 ]}

自己倍数性と異質倍数性は、遺伝子系統樹を用いて区別することができる。両者を区別するもう一つの方法は、異質倍数性（異なるサブゲノム間）では顕著に現れるが自己倍数性（同一コピー間）では現れない、遺伝子喪失（分画）のレベルが大きく異なることである。^{[ 28 ]}

脊椎動物の古多倍体仮説は、生物学者の大野進によって1970年代に提唱された。彼は、脊椎動物のゲノムは大規模な全ゲノム重複なしにはその複雑さを達成できないと考えた。「2回のゲノム重複」仮説（2R仮説）が生まれ、特に発生生物学者の間で人気が高まった。^{[ 41 ]}

2R仮説は脊椎動物のゲノムは無脊椎動物のゲノムと比較して4:1の遺伝子比を持つと予測しているが、2011年半ばに利用可能だった48の脊椎動物ゲノムプロジェクトの調査結果ではこれが裏付けられていないため、一部の研究者は2R仮説に疑問を呈している。例えば、Ensemblゲノムブラウザ^{[ 42 ]}のカウントによると、ヒトゲノムは約20,500個のタンパク質コード遺伝子から構成されているのに対し、平均的な無脊椎動物ゲノムサイズは約15,000個の遺伝子である。2Rに対する追加の反論は、脊椎動物の遺伝子ファミリーの4つのメンバー間で(AB)(CD)ツリートポロジーが存在しないことに基づいている。しかし、2つのゲノム重複が近接して発生した場合、このトポロジーが見つかるとは予想されない。^{[ 43 ]}

ナメクジウオのゲノム配列は、全ゲノム重複が2回起こり、その後ほとんどの遺伝子の重複コピーが失われたという仮説を裏付けた。^{[ 44 ]}追加のナメクジウオのゲノムは、多くの染色体セグメントが予想通りの(AB)(CD)ツリートポロジーを示していることから、この仮説をさらに強化している。^{[ 45 ]}

2015年の研究では、ヤツメウナギの遺伝子地図が作成され、基底脊椎動物系統で単一の全ゲノム重複が起こり、その前後に脊索動物の進化の過程でいくつかの進化的に独立したセグメント重複が起こったという仮説を強く支持する結果が得られた。^{[ 46 ]}

2021年の研究では、ニホンヤツメウナギのゲノムが解読された。この研究は2015年の研究の結果を覆し、円口類（現存する無顎魚類で、ヌタウナギやヤツメウナギを含む）と顎口類（顎を持つ魚類で、四肢動物、例えばヒトを含む）が分岐する前に普遍的な1R重複が存在したことを裏付けている。その後、2つの系統はそれぞれ独自の2Rを実行した。顎を持つ魚類では重複/四倍体化、円口類では三倍体化/六倍体化である。^{[ 47 ]} 2024年の研究では、ヌタウナギのゲノムが解読され、顎を持つものと顎を持たないものの両方の他の脊椎動物のゲノムと比較された。2021年の研究の「共有された1R、その後分離した2R」の枠組みは、遺伝子系統樹とシンテニーによって強く支持されている。また、円口類と顎口類の分岐時に1Rイベントが再二倍体化（すなわち相同染色体の組換えが停止し、ゲノムが再び二倍体として機能するようになった）したにもかかわらず、ヌタウナギとヤツメウナギの分岐時に円口類2Rイベントは完全な再二倍体化を受けていないことも示されている。これは、2015年の研究で発見された混乱した状況を再解釈するのに役立つ。^{[ 48 ]}

• 遺伝子重複
• ゲノミクス
• 核型
• 倍数性
• 倍数性
• 種分化